光纤温度传感器系统设计

数字光电技术讲座报告题目：光纤温度传感器系统设计
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光纤温度传感器系统设计
摘要：主要介绍了基于光纤温度传感器的测温系统的设计方案，分析了光纤温度传感器和信号检测原理,最后用单片机实现数据采集和温度显示的控制。

关键词:光纤温度传感器; 单片机
一．设计目的
光纤传感器结构简单、体积小、质量轻、在易燃易爆和高温高压的场合下应用具有安全可靠等特点,所以光纤传感器的开发研制倍受青睐,并获得广泛应用，如图一所示，是光纤传感器测量系统，它可对电流、压力、温度、位移等量进行测量。

本设计所研发的光纤温度传感器可用于各种场合的温度检测。

光纤温度传感器一般分为两类:一类是利用光导纤维本身具有的某种敏感功能而使光纤起测量温度的作用,属于功能型,光纤既感知信息,又传输信息;另一类是光导纤维只起到传输光的作用,必须在光纤端面
加装其它敏感元件才能构成新型传感器的传输型传感器.这两类的传感器工作原理和设计思想非常巧妙,研究工作都较为入.本设计采用后一种类型的光纤温度传感器，在光纤端面加装对折射率随温度而变化的透明材料，当光入射时就会因为折射率的不同使得进入光纤的光强不同，这样就可以得出光强与温度的变化关系，然后采集所得的信号电压，再通过软件处理就可以在数码管上显示温度信息，这样就可以完成对环境温度的探测。

图一
一．原理框图及原理介绍
为了得到最好的信噪比和排除环境温度以外的因素对所得数据的影响，本设计采用接收部分电路为两路：一路为参考信号，一路为实际信号；信号处理部分为一路，在同一时刻只对一路信号进行测量，然后用相除的方法对两路信号进行处理，使得两路信号在时间上分开，在空间上统一。

这样就可以大大降低外界非温度因素对系统的影响，提高噪比。

本系统原理框图如下：
光纤温度传感器系统原理框图
本设计的光纤温度传感器系统有方波发生器、发射驱动电路、接收驱动电路、前置放大电路、选通开关、放大滤波电路、同步相关电路、低通滤波电路、A/D 采样电路、单片机和显示单元等部分构成。

如原理框图所示，方波发生器产生方波通过驱动电路去驱动LED 发光，LED 发出的光分为两路：一路直接通过参考光纤送至接收管；一路通过信号光纤送至探头，经探头后在通过光纤送至接收管。

两路信号分别通过各自的前置放大器使所接收到的信号放大。

单片机对电子开关的选通，使得两路信号分别通过放大滤波、同步相关、低通滤波电路，分别得到直流电压1U 、2U ，然后A/D 采样，通过相除算法和线性拟合，最终得到电压和温度的关系式，再通过该关系求得所测得的温度，适时显示在数码管上。

原理框图中：
()r x 为光纤温度探头材料折射率随温度变化参数，
1I K ，2I K 为光纤的耦合系数， S K 为实际信号接收端的接收系数， C K 为参考信号接收端的接收系数，
1Q 、2Q 分别为两个接收管的接收系数 ， 1K 、2K 分别为两路信号前置放大器的放大倍数，
K 为主放大器的放大倍数，
1U 为实际信号经处理后得到的直流电压，
2U 为参考信号经处理后得到的直流电压。

可得，1111()I S U IK r x K Q K K = (1)
2222I C U IK K Q K K = (2)
(1) ÷(2),得
12'
111
0222
()I S I C K K U Q K U K r x U K K Q K ==∙∙∙∙ (3)
由于1I K 、2I K 、S K 、C K 、1Q 、2Q 、1K 、2K 都是已知且其值很接近，所以0U 只与r(x)成正比，这样就把单路所得的1U 、2U 与外界非温度因素相关的参数给除去了，直接得到与温度相关的关系，排除了外界非温度因素的干扰，提高了信噪比。

采用该原理的优点：
1． 通过交流信号去驱动LED ，有利于后续的放大处理电路提高信噪比。

2． 采用接收端两路，信号处理端一路，这样消除了干扰，提高了信噪比。

3． 同步相关部分采用了锁相电路，使得非参考频率的噪声信号得以滤除，信噪比改善。

二．原理图及对应功能分析
1． 方波发生器
方波发生器的选择有：
方案一：采用555定时器产生方波，如图二所示。

图二
方波周期12T t t =+，110.693()A B t R R C =+，210.693B t R C = 频率1f T =
，占空比12A B A B
t R R D T R R +==+ 方波频率为3KHz ，占空比为1:1，所以A R ＝5.1K ，B R ＝２.2K ，1C ＝47nF, 2C ＝0.1uF 。

方案二：采用与非门构成振荡器，如图三所示。

图三
频率由Ｃ和Ｒ2决定，Ｒ１改变波形对称性。

方案三：采用运算放大器，如图四所示。

图四
占空比1
12R D R R =
+，周期2122()ln f t f t
U U U T R R C U U U --=+-+，4032t R U U R R =+
f U ：二极管正向压降；2U ：齐纳二极管齐纳压降
以上三种方案各有特点，由于５５５定时器是常用的电路，使用方便，电路简单，所以
方波发生器采用方案一。

２．ＬＥＤ驱动电路 ＬＥＤ驱动电路采用晶体管９０１３作为主要元件，电路图如图五所示，该电路结构简单，使用方便，是最常用的电路。

其中集电极电流 1.20.3
CC L
V I R --=，图中二极管起温度
补偿作用。

图五
３．前置放大电路 前置放大电路是把接收管接收光强后产生的电流信号转化为电压信号并进行放大，在功能上要求前置放大器有较高的信噪比。

该方案有以下几种：
方案一：采用晶体管电路构成，如图六所示。

输出电压0f U R I =-。

图六
方案二：高阻ＦＥＴ前置放大器，如图七所示。

输出电压0f U R I =-，其特点是输入
阻抗很大，输出阻抗很小。

图七
方案三：有运算放大器构成，如图八所示。

输出电压0f U R I =-。

图八
由晶体管构成的前置放大器和有高阻ＦＥＴ构成的前置放大器在电路结构上比由运算放大器够成的前置放大器复杂，而且运算放大器构成的前置放大在输入、输出阻抗和信噪比要求上能达到本系统的要求，所以采用方案三。

根据系统设计指标参数取f R ＝１００Ｋ。

４．主放电路 主放电路应具有放大与滤波功能，能进一步提高信噪比。

由于是采用３ＫＨz 的低频方波信号，所以系统采用的主放电路应有低通滤波功能。

从电路的简单、实用性和调试的方便性出发，本系统采用了由运算放大器ＬＭ３５３构成的主放大器，电路图如图九所示。

其中，放大倍数f i
R K R -=
，带宽1
2W f f
B R
C π=
，//eq i f R R R =。

根据系统设计指标参数
100K =，低通３dB 带宽为２０KHz ，所以Ｒi=１Ｋ,Rf=１００Ｋ ,Cf=79.62pF ,Req=1k .
图九
５．同步相关电路与低通滤波电路
同步相关即锁相，如图十所示，S V 为信号电压，n V 为噪声电压，R V 为参考电压。

图十
cos()S m R V V t ωϕ=+，cos()n n V t a ω=+，cos()R R V t ω=，
[]1
cos(2)cos 2S R R m V V t V ωϕϕ⨯=
++ [][]11
cos(())cos(())22
n R R n R n V V t a t a ωωϕωωϕ⨯=++++-+-
S R V V ⨯和n R V V ⨯通过低通滤波器后，最终得到直流电压1
cos()2
m V ϕ。

由以上分析可知，同步相关电路可由模拟开关４０６６构成，低通滤波器由ＬＭ３５３构成，具体电路如图十－所示。

＋R V 和－R V 是相位相反的方波，在同一时刻,G3和G2导通，G4和G1断开，信号从下边路到低通滤波器；在下一时刻，G3和G2断开，G4和G1导通，信号从上边路到低通滤波器，这样低通滤波器输出端电压为2012(1)in R V V R ϕ
π
=-
-，输出端
波形如图十二所示。

图十－
图十二
R2=R4=R,C1=C2=C。

根据系统设计指标参
数信噪比改善为１０００，所以R1= R3= 10k,R2= R4=100k ,C1=C1=0.22uF 。

６．Ａ／Ｄ采样、单片机和显示电路
Ａ／Ｄ芯片采用ＡＤＣ０８０９，单片机采用８９Ｓ５２，显示电路由４个共阴数码管构成。

显示温度范围000.0~999.9。

ＡＤＣ０８０９为八为Ａ／Ｄ芯片，采样精度能满足本系统的设计要求。

电路图如图十三所示。

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图十三
三．总结
所设计的光纤温度传感器系统经测试得到：１.跨阻为１００Ｋ，２.主放大器放大倍数为１００倍，低通３dB 带宽为２０ＫＨz ，３.方波频率为３ＫHz ，占空比为1:1，４.信噪比改善为１０００左右。

所以本系统的指标参数符合所要求的设计指标参数。